JP2010095977A

JP2010095977A - 地下水の排水構造及びそれを備えたトンネルの構築方法

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Publication number: JP2010095977A
Application number: JP2008270127A
Authority: JP
Inventors: Kosaburo Tsuchiya; 幸三郎土屋; Tsutomu Yashiro; 勉屋代
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: JP5309883B2

Abstract

【課題】自立可能な地山を掘削する際に、地下水の水圧が覆工体に作用しないようにすることが可能な地下水の排水構造及びそれを備えたトンネルの構築方法を提供する。
【解決手段】地下水の排水構造１は、トンネル掘削面に沿って構築された覆工体５と、トンネル掘削面と覆工体５の外周との間に形成された空隙部４に充填された小石、砂等からなる骨材１１と、覆工体５の内外を貫通するように設けられ、地下水を通水可能な開口部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネルの周囲に存在する地下水を排水するための排水構造及びそれを備えたトンネルの構築方法に関する。

地山を掘削して覆工体を設置し、その覆工体の外周とトンネル掘削面との間に形成された空隙部に止水性の裏込材を充填して覆工体の周囲を覆っても、地下水がその裏込材を通過して覆工体の内方、すなわちトンネル内に浸入する場合がある。

そこで、例えば、特許文献１には、覆工体の内部にこの覆工体をトンネルの長手方向に貫通する導水路と、その導水路に連通するように、覆工体の外周に設けられ、覆工体の外周付近の地下水を導水路に通水するための溝とを設けて、裏込材を通過して覆工体の外周に到達した地下水を溝及び導水路を介して排水する方法が開示されている。
特開２０００−２８２７９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、覆工体の周囲を裏込材で覆っているため、地下水の水圧が裏込材を介して覆工体に作用するので、この圧力に耐え得るように覆工体を厚くしなければならない。しかし、覆工体を厚くすると、掘削径が大きくなって掘削土量が増加するという問題点もあった。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、自立可能な地山を掘削する際に、地下水の水圧が覆工体に作用しないようにすることが可能な地下水の排水構造及びそれを備えたトンネルの構築方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の地下水の排水構造は、地山内に構築されたトンネルの周囲に存在する地下水の排水構造であって、トンネル掘削面の内側に、複数のセグメントを連結して構築された覆工体と、前記トンネル掘削面と前記覆工体の外周との間に充填された透水性裏込材と、前記覆工体に、その内外を貫通するように設けられ、前記透水性裏込材を通じて前記トンネルの周囲の地下水を前記トンネル内に通水する開口部とを備えることを特徴とする（第１の発明）。

本発明による地下水の排水構造によれば、トンネルの周囲に存在する地下水は、トンネル掘削面と覆工体の外周との間に充填された透水性裏込材内を通過し、覆工体に、その内外を貫通するように形成された開口部を通過してトンネル内に流入するので、地下水の水圧が覆工体に作用しない。したがって、覆工体の厚さを薄くすることができる。
また、トンネル掘削面と覆工体の外周との間に、容易に通水可能な水みちが形成され、この水みちに地下水が流れるため、覆工体の接続部からの漏水が無くなる。

本発明において、前記地山は、自立性を有することとしてもよい。
本発明による地下水の排水構造によれば、自立性を有する地山、例えば、洪積砂礫層や硬岩等の地山内にトンネルを設けることで地山自体の支保能力が期待できるため、覆工体の厚さを薄くすることができる。

本発明において、前記開口部は、前記トンネルのインバート部に設けられることとしてもよい。
本発明による地下水の排水構造によれば、開口部は、トンネルのインバート部に設けられるので、トンネルのインバート部よりも上方に存在する地下水をすべて排水することができる。したがって、地下水の水圧が覆工体に作用することを防止できる。

本発明において、前記開口部内に設置され、土砂を捕捉して地下水のみを通過させるための濾過手段と、前記濾過手段を通過した地下水を排水するための排水手段とを更に、備えることとしてもよい。
本発明による地下水の排水構造によれば、濾過手段を備えるので、土砂等を含まない地下水のみを通過させることができる。

本発明において、前記排水手段は、前記トンネルの長手方向に沿って敷設され、地下水をトンネル外に送水するための幹線集排水管と、前記濾過手段を通過した地下水を集水するための集水管と、前記幹線集排水管から複数枝分かれして前記集水管に接続された支線集排水管とを備えることとしてもよい。
本発明による地下水の排水構造によれば、排水手段は、幹線集排水管と集水管と支線集排水管とを備えるので、トンネルの底盤付近を水浸しにすること無く、地下水を処理することができる。

本発明において、前記透水性裏込材は、前記トンネル掘削面と前記覆工体の外周との間に、骨材が互いに接触するように充填されてなることとしてもよい。
本発明による地下水の排水構造によれば、トンネル掘削面と覆工体の外周との隙間に、小石、砂の骨材が互いに接触するように充填されているので、地山を確実に保持し、地山の崩落を防止することが可能となる。したがって、地表面が沈下することが無い。
また、骨材間には地下水が通過可能な隙間が存在するので、トンネルの周囲の地下水を通水することができる。

本発明において、前記骨材は、時間の経過とともに消失する増粘材と混合して流動状態で充填されることとしてもよい。
本発明による地下水の排水構造によれば、時間の経過とともに消失する増粘材と骨材とを混合して流動状態で充填するので、一般的な裏込材の充填方法、例えば、ポンプ等を用いた圧入方法で充填することができる。したがって、充填作業を容易に行うことができる。

本発明のトンネルの構築方法は、地山内に構築されたトンネルの周囲に存在する地下水を排水するための排水構造を備えたトンネルの構築方法において、前記シールド機の後部において、複数のセグメントを連結して覆工体を構築する覆工体構築工程と、トンネル掘削面と前記覆工体の外周面との間に透水性裏込材を充填する充填工程と、前記覆工体を貫通して、前記透水性裏込材を通じて前記トンネルの周囲の地下水を前記トンネル内に通水する開口部を形成する開口部形成工程とを備えることを特徴とする。

本発明の地下水の排水構造を用いることにより、トンネルの周囲に存在する地下水の水圧が覆工体に作用しなくなるので、覆工体の厚さを薄くすることができる。

以下、本発明に係る地下水の排水構造の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る地下水の排水構造１を備えたトンネル３の長手方向に対して垂直な断面を示す図である。
図１に示すように、地下水の排水構造１は、トンネル掘削面に沿って構築された覆工体５と、トンネル掘削面と覆工体５の外周との間に形成された空隙部４に充填された小石、砂等からなる骨材１１と、覆工体５内外を貫通するように設けられた開口部１３とを備える。

トンネル３が構築されたこの地山２は、例えば、固結して堅固な洪積砂礫層や硬岩等からなり、自立可能である。洪積砂礫層や硬岩等は地下水をよく通すため、地下水がこの層内に存在する。
覆工体５は、複数の覆工体ピースをトンネル掘削面に沿って周方向及び長手方向に連結して構築される。本実施形態においては、覆工体５としてＲＣセグメントを用いた。
骨材１１は、空隙部４内に互いに接触するように密に充填されている。この骨材１１は、地山２と同程度の圧縮強度を有するので、地山２を保持してその崩落を防止する。

骨材１１は、目詰まりの式及び透水性の式（実例・経験に基づく掘削のための地下水調査法、高橋賢之助著、発行所：山海堂、１９９０年１０月３０日発行）を満たすものを選定して用いた。

具体的には、まず、（１）式の目詰まりの式を満たす粒度分布の骨材１１を選定した。目詰まりの式を（１）式に示す。
Ｄ_ｆ１５／Ｄ_ｅ８５＜５・・・（１）
ここで、Ｄ_ｆ１５：骨材１１の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値、Ｄ_ｅ８５：地山２に存在する土砂の粒径加積曲線における加積通過率が８５％の粒径値である。
この（１）式を満たす粒度分布の骨材１１を用いることにより、地下水とともに流入してくる地山２の土砂分が少なくなり、骨材１１間の目詰まりをほとんど生じない。

次に、（１）式を満たす骨材１１のなかから、さらに（２）式の透水性の式を満たす粒度分布の骨材１１を選定した。透水性の式を（２）式に示す。
Ｄ_ｆ１５／Ｄ_ｅ１５＞５・・・（２）
ここで、Ｄ_ｅ１５：地山２に存在する土砂の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値である。
この（２）式を満たす粒度分布の骨材１１を用いることにより、地下水の流入を妨げることが無く、地下水は骨材１１間の隙間１２を容易に通過することができる。また、これら（１）式及び（２）式の両方を満たす範囲内で粒度分布を変更することによって、空隙部４内の通水量を調整することができる。

（１）式及び（２）式の両方を満たす骨材１１を、後述のように、時間の経過とともに消失する増粘材と混合して裏込材を作製し、空隙部４内に充填した。裏込材に含まれる増粘材は、水に希釈されて消失したり、生分解性を有するために水と空気に分解されて消失し、骨材１１のみが残置される。この骨材１１は、空隙部４に占める骨材１１の体積割合が地山２内の土粒子の体積割合と同等になるように配合されている。つまり、裏込材に占める増粘材の体積割合が地山２の間隙率（例えば、一般的な砂層の場合約３０〜６０％程度）と同程度になるように混合した。

このように、増粘材は、時間が経過すると消失し、空隙部４内に残存せず、環境に負荷をかけない。

こうして、増粘材が消失したことにより、骨材１１間に形成された隙間１２を地下水が通過可能となる。

開口部１３は、トンネル３の長手方向に所定の間隔で複数設けられている。この開口部１３内には、骨材１１間の隙間１２内に流入した小石や土砂を捕捉して地下水のみを通水するための濾過手段７が取り付けられている。

図２は、本実施形態に係る開口部１３内の濾過手段７を示す断面図である。
図２に示すように、濾過手段７は、小石、石等の流入を防止しつつ、地下水を通過させるための孔１５を有するスクリーン保護用多孔板１６と、該スクリーン保護用多孔板１６のトンネル３の径方向内側に配置され、スクリーン保護用多孔板１６の孔１５を通過した土砂混じりの地下水を土砂と地下水とに分離するための箱型の固液分離スクリーン１７と、該固液分離スクリーン１７のトンネル３の径方向内側に配置され、耐圧性及び透水性を有し、内部に空隙を有するコア部１９とから構成されている。

スクリーン保護用多孔板１６は、例えば、径３０ｍｍの孔１５を４０ｍｍ間隔で三角配置したパンチングメタル（開口換算率で５１％）を用いたが、これに限定されるものではなく、地質等に応じた径のものを用いる。

また、固液分離スクリーン１７は、例えば、目合い０．２ｍｍのスクリーンのアローキャッチ（製品名：東洋紡株式会社製、登録商標）を用いたが、これに限定されるものではなく、地質等に応じた目合いのものを用いる。

そして、コア部１９は、地下水が内部の空隙を容易に通過できるような立体網状構造で、濾過手段７が設置された深さ位置の水圧に対して、空隙を保持できる程度の耐圧性を有する。本実施形態においては、コア部１９は、コスモジオ（製品名：東洋紡株式会社製、登録商標）を用いたが、これに限定されるものではなく、透水性及び耐圧性を有するものであれば他のものでもよい。
濾過手段７を通過した地下水は、トンネル３内の排水手段１０にて坑外に排出される。

図３は、本実施形態に係る排水手段１０を示す平面図である。図３に示すように、排水手段１０は、トンネル３内の底盤の中央に、トンネル３の長手方向に沿って敷設された幹線集排水管２０と、各濾過手段７を通過した地下水を集水するための集水管６と、幹線集排水管２０から複数枝分かれして集水管６に接続された支線集排水管２１とを備えている。
幹線集排水管２０の一端は、トンネル３の坑外に設けられた排水設備（図示しない）に接続されている。
集水管６は、各開口部１３に接続するように覆工体５の内周面に取り付けられている。

各開口部１３内の濾過手段７を通過した地下水は、集水管６内及び支線集排水管２１内を通過して幹線集排水管２０内に集水される。幹線集排水管２０内に集水された地下水は、坑外に設けられた排水設備に送水され、所定の方法で処理される。

以上説明した本実施形態における地下水の排水構造１によれば、以下の効果が得られる。

（１）トンネル３の周囲に存在する地下水は、空隙部４内に充填された骨材１１間の隙間１２を通過し、さらに覆工体５を貫通する開口部１３を通過して、トンネル３内に流入するので、地下水の水圧が覆工体５に作用しない。したがって、覆工体５の厚さを薄くすることができる。

（２）自立性を有する地山２、例えば、洪積砂礫層や硬岩等の地山２内にトンネル３を設けることで地山自体の支保能力が期待できるため、覆工体５の厚さを更に薄くすることができる。

（３）空隙部４内には、透水性の高い水みちが形成され、トンネル３の周囲に存在する地下水のほとんどは、この空隙部４内を通過して開口部１３から排水されるので、覆工体５の接続部からの漏水が無くなる。

（４）開口部１３は、トンネル３のインバート部に設けられるので、トンネル３のインバート部よりも上方に存在する地下水をすべて排水することができる。したがって、地下水の水圧が覆工体５に作用しない。

（５）開口部１３内に濾過手段７を備えるので、土砂等を含まない地下水のみを通水することができる。

（６）排水手段１０は、幹線集排水管２０と集水管６と支線集排水管２１とを備えるので、トンネル３の底盤付近を水浸しにすること無く、地下水を処理することができる。

（７）濾過手段７と排水手段１０とをそれぞれ設けているので、各手段７、１０を小型化することができ、トンネル３内での設置が容易となる。

（８）空隙部４内に、小石、砂等の骨材１１が互いに接触するように密に充填されているので、地山２を確実に保持し、地山２の崩落を防止することが可能となる。したがって、地表面が沈下することが無い。さらに、骨材１１を地山２内の土粒子の体積割合と同等となるように、空隙部４内に充填するので、充填された骨材１１は地山２と同程度の圧縮強度を有することとなり、これにより地山２を確実に保持することができる。

（９）時間の経過とともに消失する増粘材と骨材１１とを混合して流動状態で充填するので、一般的な裏込材の充填方法、例えば、ポンプ等を用いた圧入方法で充填することができる。したがって、充填作業を容易に行うことができる。

なお、本実施形態においては、覆工体５の開口部１３内に濾過手段７を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、地山２が岩盤からなり、地下水中に土砂を含まない場合には開口部１３内に濾過手段７を設けなくてもよい。

また、本実施形態においては、自立性を有する地山２として、洪積砂礫層や硬岩等からなる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、安定した地質の層であればよい。

本実施形態に係る地下水の排水構造を備えたトンネルの長手方向に対して垂直な断面を示す図である。本実施形態に係る開口部内の濾過手段を示す断面図である。本実施形態に係る排水手段を示す平面図である。

符号の説明

１地下水の排水構造
２地山
３トンネル
４空隙部
５覆工体
６集水管
７濾過手段
１０排水手段
１１骨材
１２隙間
１３開口部
１５孔
１６スクリーン保護用多孔板
１７固液分離スクリーン
１９コア部
２０幹線集排水管
２１支線集排水管

Claims

地山内に構築されたトンネルの周囲に存在する地下水の排水構造であって、
トンネル掘削面の内側に、複数のセグメントを連結して構築された覆工体と、
前記トンネル掘削面と前記覆工体の外周との間に充填された透水性裏込材と、
前記覆工体に、その内外を貫通するように設けられ、前記透水性裏込材を通じて前記トンネルの周囲の地下水を前記トンネル内に通水する開口部とを備えることを特徴とする地下水の排水構造。
前記地山は、自立性を有することを特徴とする請求項１に記載の地下水の排水構造。
前記開口部は、前記トンネルのインバート部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の地下水の排水構造。
前記開口部内に設置され、土砂を捕捉して地下水のみを通過させるための濾過手段と、
前記濾過手段を通過した地下水を排水するための排水手段とを更に、備えることを特徴とする請求項１又は３に記載の地下水の排水構造。
前記排水手段は、
前記トンネルの長手方向に沿って敷設され、地下水を前記トンネル外に送水するための幹線集排水管と、
前記濾過手段を通過した地下水を集水するための集水管と、
前記幹線集排水管から複数枝分かれして前記集水管に接続された支線集排水管とを備えることを特徴とする請求項４に記載の地下水の排水構造。
前記透水性裏込材は、前記トンネル掘削面と前記覆工体の外周との間に、骨材が互いに接触するように充填されてなることを特徴とする請求項１に記載の地下水の排水構造。
前記骨材は、時間の経過とともに消失する増粘材と混合して流動状態で充填されることを特徴とする請求項６に記載の地下水の排水構造。
地山内に構築されたトンネルの周囲に存在する地下水を排水するための排水構造を備えたトンネルの構築方法において、
前記シールド機の後部において、複数のセグメントを連結して覆工体を構築する覆工体構築工程と、
トンネル掘削面と前記覆工体の外周面との間に透水性裏込材を充填する充填工程と、
前記覆工体を貫通して、前記透水性裏込材を通じて前記トンネルの周囲の地下水を前記トンネル内に通水する開口部を形成する開口部形成工程とを備えることを特徴とするトンネルの構築方法。